海洋蜗牛运动的流体物理学可能导致新型生物启发的水下航行器

Cuvierina atlantica，一种食栖的翼足类，具长壳。

运动中的诗歌：工程师分析了海洋蜗牛运动的流体物理学。

在世界海洋中，每天有数十亿只小蜗牛（浮游生物的一种）在地表水之间往返，它们在晚上进食，白天到深达几百米的深度休息，同时避免被捕食者捕食。海洋蜗牛在地球化学循环和气候中起着重要作用：当死蜗牛的碳酸钙壳沉到深处时，溶解并促进大气中的碳和海洋酸化，就会产生全球碳酸盐通量的12-13％。但是，由于它们很难研究且无法在实验室中保存，因此这些动物的行为鲜为人知，特别是在亚热带和热带地区，这些动物的活动性极强。这些动物的名字带有诗意，例如海蝴蝶。

在这里，由一群海洋学家和工程师组成的团队专门研究流体物理学和生物学的交汇处，拍摄热带海洋蜗牛的运动，并从流体物理学和生态学的角度对它们进行分析。他们表明，每个物种都有独特的游泳和下沉风格，看起来漂亮，这取决于它们的外壳形状（盘绕，拉长或圆形），身体大小，“拍打”的翅膀和速度。最小，最慢的物种由于海水的“粘性”而更难以游泳，并且对它们来说更具粘性（从技术角度而言，“雷诺数”较低），这会影响其运动的角度，轨迹和稳定性。

Hyalocylis striata，一种食性翼足类，具长壳。

“我们想回答这些美丽的动物的游泳行为如何受到它们不同的外壳形状和大小的影响。我们发现，具有类似飞机机翼形状的壳的物种比具有“蜗牛状”盘绕壳的物种游得更快，并且更具机动性。了解这些动物的游泳能力有助于我们更好地了解它们在海洋中的生态重要性和分布。此外，作为工程师，我们希望借鉴这些生物的游泳方式，以设计出新一代的生物启发式水下航行器。南特大学机械工程学系助理教授戴维•墨菲（David Murphy）博士说。佛罗里达，坦帕，佛罗里达。

在2017年至2019年之间，研究人员在百慕大附近夜间捕获了9种海洋蜗牛（0.9-13.1毫米长）的多个个体，其中包括7种肉食性翼足类（“海蝶”），一种是肉食性翼足类（“海天使”）。 （成年后没有壳）和一种大西洋异足动物。他们将它们运送到实验室，在那里他们使用高速立体摄影测量技术在盐水水族馆中记录了它们的行为，该技术可以通过一对摄像机跟踪3D的运动。对于每种物种，他们计算了主动游泳和被动下沉期间的绝对速度和归一化速度（相对于体长），机翼运动的频率，下沉期间的下降角度，游泳期间上升路径的曲折度以及雷诺数字。

Heliconoides inflatus，一种食性翼足类，具盘绕的壳。

他们表明，每种物种都有独特的游泳方式，通常以锯齿状螺旋上升，速度为12-114 mm / s，或每秒1-24体长-相当于平均大小的男性雄性游泳最高40 m每秒。蜗牛以类似的速度下沉，但以一条直线，相对于垂直方向成4-30度°的角度下沉。

“我们得出的结论是，这些远洋蜗牛的游动和下沉行为与壳的形状和大小密切相关。带有盘绕壳的小蜗牛游动得慢，而带有瓶形或翼形壳的大蜗牛游动得更快，因为它们较大的尺寸使它们能够克服水粘滞效应。但是，游泳速度与这些动物每天迁移的距离无关，这表明光照和温度水平以及掠食者和猎物的存在也起作用。我们还发现，带有翼形外壳的海蝴蝶利用其外壳向下“滑行”，以减慢其下沉的速度，墨菲说。

为了研究每个物种的深度偏好，Murphy等人。进一步在地表以下0-1000 m的范围内，使用称为多重开闭网和环境传感系统的计算机操作网对大量蜗牛进行了采样。他们使用机器学习（基于图像）和核糖体DNA条码确定物种。根据这些结果，研究人员估计，这些物种每天在垂直“通勤”中的传播时间为50-300 m，每天总共需要1-3.7 h。

“看着这些细小而精致的动物以非常复杂的动作拍打翅膀，从根本上在水中飞翔，绝对让人着迷。我们很幸运拥有高速摄像头，可以将这一动作放慢下来，足以让我们看到它。令人惊奇的是，这些海蝴蝶正在使用与昆虫用来在空中飞行相同的流体动力学原理在水中飞行，”墨菲总结道。

参考：Ferhat Karakas，Jordan Wingate，Leocadio Blanco-Bercial，Amy E. Maas和David W. Murphy的“温水远洋蜗牛的游泳和下沉行为”，2020年9月7日，海洋科学前沿。DOI：
10.3389 / fmars.2020.556239